乙若梅 龔正元

摘要： 以“染料廢水污染”為情境素材，以“納米材料Cu2O”為主題，整合化學、技術(shù)、工程和數(shù)學等學科知識，設計了適用于高中化學的STEM教育教學案例并予以實施。在化學教學中融入學科前沿知識，幫助學生開拓視野，發(fā)展STEM素養(yǎng)和“宏觀辨識與微觀探析”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任”等化學學科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： STEM教育; 納米材料; 化學學科核心素養(yǎng)

文章編號： 1005-6629（2021）12-0043-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

STEM教育即科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）的綜合性教育。它涉及四個學科，卻不是四個學科的簡單疊加，其實質(zhì)是跨學科知識間的遷移整合。STEM教育具有跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協(xié)作性、設計性、藝術(shù)性、實證性和技術(shù)增強性等核心特征[1]，強調(diào)學生在真實情境中，通過具體的實踐活動，在合作探究和解決問題的過程中發(fā)展STEM素養(yǎng)。

項目是以一套獨特而相互聯(lián)系的任務為前提，有效地利用資源，為實現(xiàn)一個特定的目標所做的努力。而項目式學習（Project-Based Learning， PBL）是以學科的概念和原理為中心，以制作作品并將作品推銷給客戶為目的，在真實世界中借助多種資源開展探究活動，并在一定時間內(nèi)解決一系列相互關(guān)聯(lián)著的問題的一種新型的探究性學習模式[2]。它的重點在于解決實際問題，但依靠單一領(lǐng)域知識難以實現(xiàn)，故它同時側(cè)重于多門學科知識的綜合應用，這與STEM教育有異曲同工之妙。另外，項目式學習和STEM教育也都注重“以學生為中心”和真實情境的創(chuàng)設，可見STEM教育與PBL相互關(guān)聯(lián)，二者結(jié)合可謂是相得益彰，即把STEM涉及到的科學、技術(shù)、工程和數(shù)學等學科領(lǐng)域知識和方法用于解決具體的、富有挑戰(zhàn)性的項目活動，學生在解決問題、理解學科知識的同時也可發(fā)展自身素養(yǎng)。

化學作為一門自然科學，有“中心科學”的美譽，有跨學科的天然優(yōu)勢。而STEM教育體現(xiàn)了實驗探究的屬性[3]，這也與化學學科的特點不謀而合。另外，教材之外的學科前沿知識對于課堂教學的設計和實施是可直接借鑒的資料[4]，也是落實立德樹人的有效教學素材。在學校教育中，將化學學科前沿知識與工程、技術(shù)、數(shù)學等學科知識整合，依托項目，實施STEM教育，有助于發(fā)展學生的科學探究能力、合作能力及動手操作能力等跨學科素養(yǎng)。

1 教學模式的構(gòu)建

本文所構(gòu)建的STEM教學模式如圖1所示。

即教師圍繞一個真實項目展開教學，教學過程主要包括六大環(huán)節(jié)： （1）創(chuàng)設情境，聚焦問題;（2）頭腦風暴，確定方案;（3）動手實踐，制作產(chǎn)品;（4）測試性能，深入探究;（5）交流分享，總結(jié)評價;（6）遷移應用，鞏固新知。多元性的

評價方式貫穿整個教學過程，過程性評價與結(jié)果性評價并重，教師評價、學生自評、學生互評相結(jié)合。教學目標是通過理解、應用和整合科學、技術(shù)、工程和數(shù)學等領(lǐng)域的概念和知識，創(chuàng)造性地完成復雜的項目活動，提高科學探究、合作、動手操作等能力，培養(yǎng)STEM素養(yǎng)。

2 教學分析

2.1 情境素材分析

《普通高中化學課程標準（2017年版）》的“化學原理探究”主題中提到[5]，可以從當代化學科學研究成果中選擇內(nèi)容，簡化安排成實驗活動，例如，納米材料的制備與性質(zhì)研究。納米材料是納米科學技術(shù)的基石，而納米科學技術(shù)是指在納米尺寸認識和改造自然，通過直接操作原子、分子創(chuàng)造新的物質(zhì)，是現(xiàn)代科學和先進工程技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。納米材料因特殊的結(jié)構(gòu)特征而具有很多獨特的功能，用途廣泛，例如，可以用于處理廢水。

紡織印染工業(yè)是我國傳統(tǒng)的支柱行業(yè)之一，歷史悠久。我國目前每年廢水排放總量高達6.36Gt，染料廢水占據(jù)我國工業(yè)廢水中的首要位置，其排放量占我國廢水總排放量的11%左右[6]。染料廢水水量大、水質(zhì)變化大、色度和有機污染物濃度高、堿度大，由于合成染料通常是復雜的有機物，難被自然降解，是極難處理的工業(yè)廢水之一。如果將染料廢水直接排放到水體中，會嚴重污染水資源，威脅水生生物的生存，危害環(huán)境和人類健康，人類的美好生活的愿景也就難以實現(xiàn)，所以染料廢水必須予以處理。

2.2 學情分析

本案例是以綜合實踐活動課程的形式實施，試教對象是南京市某中學高二年級學生，共15人。依據(jù)組內(nèi)異質(zhì)、組間同質(zhì)的原則，學生自行分組，確定組名： 第一組——“快樂大本營”，第二組——“環(huán)保大宅院”，第三組——“高科小分隊”。

學生通過生活經(jīng)驗和先前化學課程的學習，能夠認識到水資源的緊缺，并且知道沉淀、過濾、吸附、絮凝等凈化水的方式。污水處理新技術(shù)、污染物的降解新技術(shù)、納米材料等都屬于化學學科前沿內(nèi)容，部分學生通過期刊雜志、網(wǎng)絡資訊、科技報道、化學課堂等渠道已經(jīng)有所接觸，這對學生來說并不是完全陌生的知識，但仍基本處于一知半解的狀態(tài)，沒有深入研究過。

高二學生的年齡在17歲左右，對事物有著強烈的好奇心和探究欲，對化學的認識已逐漸由淺顯轉(zhuǎn)為深入，且能做到有意注意生活中的化學知識。另外，高二學生也具有一定的實驗操作基礎和邏輯思考能力，熱衷于自己動手實驗，如若能將自己的研究成果加以應用，那么勢必會大大提高對化學和研究性學習的興趣。

2.3 教學目標

依據(jù)學生實際和教學內(nèi)容，確定如下教學目標：

（1） 知道水處理的一般方法，能從染料廢水處理工程中提取出工程活動的一般流程和要點，體會科學、技術(shù)、工程、數(shù)學之間的聯(lián)系，發(fā)展STEM素養(yǎng)。

（2） 能合成納米Cu2O，并進行降解性能測試。了解納米材料的特點、性質(zhì)和價值，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”的化學學科核心素養(yǎng)。

（3） 熟練進行基礎實驗和計算機操作，掌握數(shù)碼成像比色法，能使用pH計、Color Grab和Orign軟件等技術(shù)解決問題，發(fā)展“科學探究與創(chuàng)新意識”的化學學科核心素養(yǎng)。

（4） 樹立愛護水資源、保護水環(huán)境的意識，發(fā)展“科學態(tài)度與社會責任”的化學學科核心素養(yǎng)。

3 教學過程

3.1 環(huán)節(jié)一： 創(chuàng)設情境，聚焦問題

教師播放微視頻。

學生觀看視頻，討論染料廢水的危害。

[教師]我國水資源本就緊張，大量染料廢水直接排放又會引起嚴重的水污染，染料廢水的處理已刻不容緩。本次項目的主題就是“染料廢水處理”。

3.2 環(huán)節(jié)二： 頭腦風暴，確定方案

發(fā)放評價表，明確評價標準。

[教師]目前水污染的處理方法有哪些？

學生回憶初中內(nèi)容，結(jié)合生活經(jīng)驗，借助網(wǎng)絡，查閱文獻，交流討論，完成頭腦風暴。

教師總結(jié)水污染的處理方法，包括物理法、化學法、生物法等。

[教師]這些方法有什么優(yōu)缺點？

[學生]生物法的處理成本不高，但是該法對染料的降解效果不好;化學法較能有效處理污水，但是不夠劃算。絮凝法容易產(chǎn)生污泥并且處理費用較高;微孔膜、超濾膜的穩(wěn)定性和選擇性均不高，容易造成膜污染。

[教師]染料廢水有什么特點？它和普通污水有什么不同？

[學生]染料廢水排放量較大、水質(zhì)變化大、色度高，主要成分是有機物，很難被降解。

[教師]一般的水處理方法不適用于處理染料廢水，而且處理染料廢水最好是在溫和的條件下，不造成二次污染，降解效果顯著且價格低廉。

教師提供資料卡片。

資料卡片1：

納米尺寸（10-9-10-7m）的微粒具有獨特的化學特征：

（1） 吸附。納米微粒由于有大的比表面積和表面原子配位不足，與同質(zhì)的大塊材料相比較，有較強的吸附性。

（2） 表面活性及敏感性。由于納米微粒表面原子數(shù)比例高及其表面原子配位不飽和性導致存在大量的不飽和鍵，因此納米微粒具有很高的表面活性及選擇性。

（3） 光催化性能。光催化是指催化劑將光能轉(zhuǎn)變成化學能，引發(fā)或加速化學反應的過程。

資料卡片2：

1998年Hara等首次報道用納米Cu2O作光催化劑在可見光照射下將H2O分解為H2和O2，而且納米Cu2O持續(xù)使用1900h仍保持活性。這說明納米Cu2O具有良好的催化降解功能。

資料卡片3：

納米半導體光催化技術(shù)只需要光、催化劑和空氣，處理成本相對較低。光催化氧化具有很強的氧化能力，可使有機染料分子氧化完全、降解徹底，是一種較有前途的廢水處理方法。

學生閱讀資料卡片后提議： 可以把自然界中豐富的太陽光作為光源，以納米Cu2O作為光催化劑，對染料廢水進行催化降解。

教師肯定學生的提議，并指導學生以“納米Cu2O的制備”為主題進行文獻搜索整理。

學生查閱文獻后對比發(fā)現(xiàn)，有些方案較為繁瑣、產(chǎn)率較低，而且缺少相應的儀器設備和原料，難以實施。最后決定用硫酸羥胺還原氯化銅[7]制備納米Cu2O，此方案簡單易控、成本較低、易于推廣，便于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。各組完善設計方案書。

3.3 環(huán)節(jié)三： 動手實踐，制作產(chǎn)品

各組根據(jù)設計方案書中整理的實驗步驟，計算用量，準備儀器藥品，動手制備納米Cu2O：

（1） 配制50mmol/L CuCl2正丁醇溶液;

（2） 配制150mmol/L硫酸羥胺水溶液，調(diào)節(jié)pH為10;

（3） 于50mL比色管中加入20mL的硫酸羥胺水溶液，再緩慢加入20mL的CuCl2正丁醇溶液，保證分層明顯，靜置反應;

（4） 待溶液反應至無色時，取出界面處產(chǎn)物，用蒸餾水洗滌3遍，置于60℃烘箱中干燥。

3.4 環(huán)節(jié)四： 測試性能，深入探究

[教師]如何證明所合成的納米Cu2O能降解染料廢水？

[學生A]根據(jù)文獻，我們可以將一定量的產(chǎn)品加入模擬的染料廢水，例如甲酚紅溶液，攪拌，每隔一定時間進行取樣離心，利用紫外可見分光光度計測量吸光度進而計算濃度。

[學生B]可是我們現(xiàn)在并沒有紫外可見分光光度計可供使用。

[學生C]甲酚紅溶液降解程度不同，含量不同，顏色會有差異，可以使用比色法。

[教師]比色法是可行的。

鑒于產(chǎn)品的吸附性能受其自身性質(zhì)、溫度以及溶液pH等條件影響，故決定利用控制變量法研究pH、納米Cu2O的投加量以及溫度對脫色率的影響，通過對比吸附前后甲酚紅溶液的顏色來判斷納米Cu2O是否具有吸附性能。

“快樂大本營”組研究pH對脫色率的影響： 調(diào)節(jié)3份50mL 30mg/L甲酚紅溶液的pH分別為1、2、6。分別加入0.02g納米Cu2O，室溫下吸附相同時間。

[學生]pH為6、2、1時，甲酚紅溶液的顏色分別為沒有明顯變化、明顯變淺、沒有明顯變化。討論原因未果。

[教師]溶液的pH會影響到Cu2O表面所帶電荷，而樣品表面的電荷性質(zhì)又會影響吸附效果。因而溶液的pH越低，表面所帶的正電荷越多，吸附效果越好。

但是，pH過低，溶液中H+含量高，Cu2O會與H+反應，Cu2O質(zhì)量降低，并且此時溶液的pH也有所上升，導致脫色率又有所下降。

“環(huán)保大宅院”組研究納米Cu2O的投加量對脫色率的影響： 調(diào)節(jié)50mL 30mg/L甲酚紅溶液的pH=2，控制納米Cu2O的投加量分別為0g、0.02g、0.04g。室溫下吸附相同時間。利用延時攝影技術(shù)，將長達3h的吸附降解過程壓縮為1min，更直觀地呈現(xiàn)甲酚紅溶液顏色的變化過程。

[教師]根據(jù)不同降解時間甲酚紅溶液的顏色，能得出什么結(jié)論？

[學生]吸附時間相同，甲酚紅溶液脫色率不盡相同。吸附劑投加量為0g、0.02g、0.04g時，甲酚紅溶液的顏色分別為沒有明顯變化、逐漸變淺、變淺后變深。討論原因未果。

[教師]吸附劑投加量越高，脫色率也越高。在其他條件不變時，吸附位點與吸附劑量成正比。加入的吸附劑過多時，多余的Cu2O則會與溶液中的H+發(fā)生反應，溶液的pH增大，脫色率降低。

“高科小分隊”組研究溫度對脫色率的影響： 調(diào)節(jié)3份50mL 30mg/L甲酚紅溶液的pH均為2，納米Cu2O的投加量為0.02g，控制納米Cu2O吸附甲酚紅的溫度分別為25℃、40℃、60℃。

[學生]不同溫度下，吸附時間相同的甲酚紅溶液的顏色沒有明顯的區(qū)別，所以吸附可在常溫下進行，也可節(jié)約能耗。

[教師]同學們能據(jù)此總結(jié)出納米Cu2O處理染料廢水的最佳條件嗎？

[學生]納米Cu2O處理染料廢水的最佳條件是，pH=2、常溫，投加量視染料廢水濃度而定。

[教師]納米Cu2O可以產(chǎn)業(yè)化處理染料廢水嗎？

[學生]納米Cu2O成本低，合成簡便，可利用自然界中充足的太陽光作為光源來活化催化劑，光催化效果明顯，具有用于實際印染廢水處理的潛力。所以可以產(chǎn)業(yè)化應用于環(huán)境污染物治理。

[教師]通過肉眼觀察顏色定性分析靈敏度較低，目前比色法應用較多的是基于智能手機的數(shù)碼成像比色法，智能手機的攝像頭具有拍攝效果良好、操作簡單等優(yōu)點，可以與App結(jié)合，例如Color Grab，用它讀出圖片的顏色參數(shù)值，并利用Origin軟件將數(shù)據(jù)處理成標準曲線，可以計算出降解率。

學生傾聽整理比色法步驟，合理分工，進行實驗，計算結(jié)果：

（1） 配制甲酚紅的標準溶液（濃度分別為30mg/L、25mg/L、20mg/L、15mg/L、10mg/L、5mg/L）;

（2） 通過智能手機，結(jié)合取色軟件Color Grab獲取標準溶液的R、G、B值，利用浮點公式Gray=0.3R+0.59G+0.11B，得到Gray值;

（3） 利用Origin軟件，建立濃度-Gray值的標準曲線，得到標準曲線方程y=-1.801x+146.955;

（4） 取0.02g的Cu2O加入50mL 30mg/L的甲酚紅溶液中，調(diào)節(jié)pH=2，室溫下吸附180min，通過取色軟件Color Grab取色得： R=163， G=136， B=19，即Gray=131.23。將y=131.23代入標準曲線方程y=-1.801x+146.955，得x=8.73，即吸附后甲酚紅溶液的濃度為8.73mg/L，將Ce=8.73mg/L， Co=30mg/L代入降解率公式，求得降解率為70.9%。

Co-CeCo×100%

[Co（mg/L）—甲酚紅初始濃度，Ce（mg/L）—甲酚紅吸附平衡濃度]

[教師]大家知道納米材料為什么如此不同尋常嗎？

[學生]結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，應該和結(jié)構(gòu)有關(guān)系吧！

[教師]沒錯！納米材料由于其獨特的尺寸結(jié)構(gòu)，所以性質(zhì)不同于傳統(tǒng)材料。

教師提供資料卡片展示納米材料的四大物理效應：

（1） 量子尺寸效應。納米材料由于特殊尺寸呈現(xiàn)出一系列與宏觀物體截然不同的磁、光、聲、熱、電效應。例如導電的金屬在納米顆粒時可以變成絕緣體。

（2） 小尺寸效應。尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生一系列新奇的性質(zhì)，例如，金屬納米顆粒對光的反射率很低，導致所有的金屬在納米顆粒狀態(tài)下都呈現(xiàn)黑色。固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點是固定的，納米顆粒的熔點卻會顯著降低;再例如，金的常規(guī)熔點是1064℃，2nm的金顆粒熔點僅為327℃。同時，材料的強度、韌性和超塑性也會大為提高，如納米相銅的強度比普通銅高5倍、納米陶瓷是摔不碎的。

（3） 表面效應。納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的變化，當粒子直徑處于納米范疇時，位于表面的原子占了相當大的比例，導致比表面積急劇增大，表面能增高，這些原子易與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學活性，例如金屬的納米粒子在空氣中會燃燒。

（4） 宏觀量子隧道效應。除了微觀粒子，一些宏觀量例如微粒的磁化強度、電荷等也具有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，例如超細鎳粉在低溫下繼續(xù)保持超順磁性。

3.5 環(huán)節(jié)五： 交流分享，總結(jié)評價

學生總結(jié)了一些實驗操作的注意事項，并提出了一些問題，例如：

（1） 如何證明所得產(chǎn)品Cu2O確實是納米尺寸？

（2） 納米Cu2O對實際染料廢水的處理效果也會這么好嗎？

（3） 吸附過染料的Cu2O可以回收重復利用嗎？

（4） 有沒有其他的新型材料也能用于染料廢水的降解？

教師結(jié)合全程表現(xiàn)，對優(yōu)秀個人和小組提出表揚。學生進行自評與互評，完成評價表。

3.6 環(huán)節(jié)六： 遷移應用，鞏固新知

[教師]課后調(diào)查納米材料以及納米Cu2O的其他用途。

[學生]納米Cu2O還可應用在石油化工催化及船舶防污涂料、甲醇燃料電池、太陽能電池等方面。

4 教學總結(jié)與反思

本文巧妙地利用“染料廢水污染”的真實問題，實施STEM教學，成功地在化學教學中滲透納米科學、環(huán)境科學、信息技術(shù)、數(shù)學和工程等知識，給予學生真實的體驗，讓學生在小組合作、動手操作、交流討論的課堂過程中知道了水處理的常用方法及利弊，了解了納米材料的性質(zhì)、用途及價值，強化了“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的思想，發(fā)展了“宏觀辨識與微觀探析”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任”的化學學科核心素養(yǎng)，提高了創(chuàng)新意識、合作意識和動手操作能力，形成了跨學科的思想。學科知識地圖總結(jié)如表1所示。

在整個教學過程中，學生能夠積極地思考，預設的問題得以解決。但是由于教學時間的限制，對于教學中生成的新問題，教師未能帶領(lǐng)學生深入探究?？茖W探究無止境，生成性問題應該得到重視。

對于上述問題（1）： 如何證明所得產(chǎn)品Cu2O確實是納米尺寸？教師可以向?qū)W生介紹掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，簡稱SEM）和透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscope，簡稱TEM）的用途，展示所得產(chǎn)品Cu2O的SEM和TEM照片，分析產(chǎn)品的尺寸和形貌。對于問題（2）： 納米Cu2O對實際染料廢水的處理效果也會這么好嗎？教師可設法收集一些實際染料廢水進行吸附實驗。對于問題（3）： 吸附過染料的Cu2O可以回收重復利用嗎？教師可組織學生補充實驗： 對吸附過染料的Cu2O進行水洗和醇洗，并再次進行吸附實驗，測試其吸附降解性能。對于問題（4）： 有沒有其他的新型材料也能用于染料廢水的降解？教師可以引導學生進行相關(guān)文獻資料的查找和閱讀。

5 結(jié)語

融入STEM教育的化學教學能有效提高學生對化學的學習興趣，學生在獲得化學、數(shù)學、技術(shù)、工程等知識的同時，會形成跨學科意識，知道將多種學科知識用于同一問題的解決。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》強調(diào)教師教學時要創(chuàng)設真實且富有價值的問題情境，并且所選的化學課程內(nèi)容要體現(xiàn)時代性。所以一線教師在開展STEM教育時需考慮：

第一，經(jīng)常關(guān)注生活中出現(xiàn)的真實問題，從中提煉出學科知識，設計成STEM教學活動，幫助學生感悟科技、化學、社會和環(huán)境的相互影響，進而深刻體會化學的實用性。

第二，充分挖掘化學學科前沿內(nèi)容，使其與高中化學課程內(nèi)容相融合，讓學生嘗試參與研究前沿科學，幫助學生了解化學學科的發(fā)展，鼓勵學生關(guān)注化學事業(yè)，拓寬學生視野，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維。

第三，仔細研讀課標和教材，選取合適的方向和素材，深入研究，設計成系列綜合實驗，讓學生在做中學、在謀中思、在論中悟。

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